基于毫米波雷達的駕駛員疲勞監測系統設計

張濤

（淮南聯合大學 智能制造學院，安徽淮南，232038）

0 引言

引發交通事故的一個重要原因是駕駛員疲勞駕駛或突發疾病而使車輛失控。疲勞后，以感知功能減弱、注意力下降、駕駛操作行為紊亂、反應時間延長等表現為駕駛員生理上的變化和對駕駛行為的影響，極易造成判斷失誤和操作失誤，從而導致道路交通事故的發生。因此，應積極利用人防、技防等手段加強對疲勞駕駛行為的監測，以防此類問題引發的交通事故。

國內外主要從駕駛員生理指標檢測、駕駛面部特征檢測、駕駛操作特征及車輛行駛狀態檢測等方面開展研究，各種方法均有一定的理論研究基礎和技術可行性，其中大部分方法已有產品應用，目前國內外已有相關技術同時，在應用各種方法和技術方面也有局限性。雖然當前普及的大多數疲勞駕駛系統可以在一定程度上對駕駛疲勞進行監測，但仍然存在一些缺欠和短板的地方?，F有的方法大多采用接觸測量法，對監測生理信息往往需要司機攜帶或安裝大量的設備，這對司機的正常行為會造成一定的困擾。同時，利用機器視覺技術單一地探測環境，使得駕駛員在白天的疲勞測試更為精確，而在夜間是駕駛疲勞的高峰期，駕駛員的疲勞監測的精準度并不理想。基于毫米波雷達的駕駛員疲勞駕駛監測技術可有效彌補現有技術手段的不足，以其非接觸性、高靈敏性、抗干擾能力強等特點逐漸成為未來主流技術。

1 系統方案設計

毫米波雷達是利用電磁波向外發射來探測障礙物，傳播時如果遇到障礙物就反射信號，通過雷達的接收天線接收回波信號，然后將障礙物的距離和徑向速度等物理信息提取出來，進行混頻和信號處理。除此之外，毫米波技術還帶來了優勢，可對人體進行無接觸地持續監視。通過捕獲和處理反射信號，雷達系統可以確定物體的距離、速度和角度。毫米波雷達在物體距離檢測中可以提供毫米級別的精度，因而成為生命體征信號的理想非接觸式監測技術。毫米波雷達傳感器以體積小、質量輕、精度高為特點，具有全天候全天時工作優勢，對霧、煙、粉塵具有較強的抗干擾能力。

雷達核心部分采用了TI 公司的高性能毫米波雷達芯片AWR1843，該芯片是單芯片76GHz～81GHz 的汽車雷達傳感器，集成了DSP 子系統、MCU 和硬件加速模塊(HWA)。雷達采用3 發4 收MIMO 的設計方案，可在常規雷達的基礎上進一步提高角度分辨率，并且縮小雷達尺寸。信號處理算法的實現全部在AWR1843 芯片內完成，并將檢測結果通過CAN 發送到車身控制器，進行目標特征提取和模式識別，決策出相應區域有無目標，以及目標生命體征狀態信息。同時，通過UART 可以向上位機輸出調試狀態下的生命體征信息。

雷達支持的直流電壓范圍是6V～30V。在12V 電源下，工作電流為200mA 左右，峰值電流不超過350mA，系統的寄生電流不超過100μA。當雷達系統收到休眠指令，或從CAN 總線不能得到信息時，會進入休眠模式，休眠模式下，每個雷達傳感器的電流不超過50μA。它不受光線、溫度和灰塵的影響，相對于駕駛員生理指標檢測、駕駛面部特征檢測、駕駛操作特征和車輛行駛狀態檢測而言，具有極高的探測精度。

■1.1 系統框架

根據駕駛員生命體征信息監測對傳感器性能的要求，構建出駕駛員生命體征監測系統，由系統硬件和系統軟件組成。根據硬件功能的不同，系統可以劃分為核心處理模塊AWR1843、FLASH 單元、電壓狀態采集單元、時鐘單元、狀態數據存儲單元、電源單元、對外接口單元等若干模塊。其連接關系如圖1 毫米波雷達系統硬件框圖所示。雷達采用FMCW 技術，在天線陣列布局上，采用最小冗余陣列的設計方法，在陣元數量較少的情況下，可以忽略掉最小冗余陣列造成的柵瓣，因為采用了相對較少的3 發4 收通道數量，以增大天線陣列孔徑，僅能提高角度分辨率，同時提高了測角精度。

圖1 毫米波雷達系統硬件框圖

軟件系統是以TI官方開發軟件和開發語言開發為基礎，控制系統輸出駕駛員生命體征信息檢測結果。雷達硬件設備與控制計算機之間通過CAN 實現通訊，向主芯片發送雷達參數配置程序。配置雷達參數：CHANNEL_CFG 命令將天線收發方式配置為3 發4 收模式；Profile_CFG 命令配置雷達工作頻率為77～81GHz，工作帶寬為4GHz，線性調頻脈沖數據率為6.25Hz，線性調頻脈沖斜率為70MHz/μs，ADC 點數為224，ADC 速率為4558Ksps。接收天線增益30dB；FRAME_CFG 命令配置幀周期為100ms，含線性FM 脈沖數為32/幀。Sensor_START 命令配置啟動式傳感器；Sensor_STOP 指令配置終止傳感器；FLUSH_CFG 命令刷新舊的配置，并在Sensor_STOP 命令之后提供新的配置，向傳感器發送配置命令，以備下一次啟動。采集雷達獲取的回波數據，形成帶時間戳的文件保用于算法處理。

■1.2 關鍵元器件

系統關鍵元器件清單如表1 所示，所有關鍵元器件均選用車規級別，阻容感等其他非關鍵元器件也均選用車規級別。其中DSP 處理器是所有數字信號處理、檢測、跟蹤、聚類和其他算法發生的處理單元。CAN 通信芯片用于完成車機互聯，為車輛提供駕駛員疲勞監測數據，雷達系統能捕捉到異常時車輛發出提醒聲音以喚醒駕駛者或采取其他必要措施。

表1 系統關鍵元器件清單

■1.3 對外接口與安裝

雷達對外接插件采用TE 公司的6pins 的專用接插件175506-2，定義如表2 所示。雷達由蓄電池供電，雷達采集信息通過CAN總線與車機相連，提供車機關鍵決策信息。雷達安裝在車輛頂部，左右居中，距駕駛員靠背的縱向距離推薦為1m，安裝時需確?？臻g足夠，需確保雷達接插件端口相對于車輛方向向左或向右，推薦雷達架設角度為向后傾斜30°，具體安裝位置及架設角度視車輛內部空間而定。

表2 對外接插件定義

2 雷達檢測原理

毫米波雷達向人體胸部區域發射線性調頻脈沖，由于胸部的運動，反射信號是相位調制的，調制涵蓋運動的所有分量，包括心跳和呼吸引起的運動。三發射天線分時發射快掃線性調頻連續波信號，回波經四路接收天線返回雷達接收機，經混頻濾波等處理，由AD 進行中頻信號變為數字信號，對四路正交I/Q 信號做乒乓緩存，分別進行距離到一維FFT處理，再進行CAPON 譜估計，形成距離角度的二維熱力圖，從熱力圖上進行目標特征提取和模式識別，決策出相應區域成員的生命體征信息，信號處理流程如圖2 所示。

圖2 信號處理流程

■2.1 測距原理

雷達的基本工作之一就是測量目標的距離。如圖3 頻差法測距示意圖，發射的快速掃描線性調頻連續波信號FMCW 電磁波在空氣中向前方傳播，經障礙物反射，往返一次所需的時間延遲τ，其頻率與回波頻率相比在這段時間內發生了變化，因而在調頻規律和回波延遲共同決定了這個中頻信號在混頻器輸出端的頻率差f。通過頻差f 可求取延遲時間τ，進而得知目標距離。目標距離由計算公式(1)得，延時時間由計算公式(2)得。

圖3 頻差法測距示意圖

■2.2 測角原理

由于電磁波沿直線傳播，目標散射或反射電磁波波前到達的方向，即為目標所在方向。一般情況下，目標角度的測量采用相位法，即利用多根天線所接收的回波信號之間的相位差來測量角度。如圖4 所示，設在θ 方向有一遠區目標，則到達接收點的目標所反射的電磁波近似為平面波。設兩天線的間距為d，所以它們接收到的信號有波程差?R，而波程差又造成了與其相位差φ 的現象。通過求取該相位差而得到目標回波方向θ，波程差?R由計算公式(3)得。

圖4 相位法測角示意圖

通過上述方法可獲得距離和方位信息，通過軟件設置有效的距離范圍、角度范圍，從而限定檢測區域的邊界，滿足不同車型駕駛員區域的完整覆蓋。

■2.3 技術指標

毫米波雷達技術指示如表3 所示。

表3 毫米波雷達技術指標

■2.4 功能測試

當車輛啟動后，雷達被喚醒，開始自動檢測，從模塊收到探測請求，到完成探測、發送探測結果，一般耗時小于1s。一旦發現駕駛員有疲勞駕駛的行為，迅速發出報警信號，同時汽車中控系統還可以強制啟動輔助救助裝置，從而達到保障車內人員人身安全的目的，減少交通事故發生的概率。該系統除能精確檢測出駕駛員的生命體征狀態信息，實時監測駕駛員是否疲勞駕駛，另可用于車內成員檢測，避免兒童或寵物被遺留在車內而引發的安全事故發生。如圖5 上位機顯示所示為駕駛員的心跳與呼吸信息。

圖5 心跳與呼吸信息

3 總結

在這樣的系統中，由于傳統的相機等傳感器難以感知到生理信號，且從設計角度來說，攝像頭必須裸露在外，視野被遮擋難以避免。而在塑料遮擋物背后可以安裝毫米波雷達，且對遮擋并不敏感，因此，毫米波雷達將成為感知系統的重要一環。雖然現在還沒有具體規定，但眾多半導體巨頭已經在積極準備中，車內生理信號識別將是未來毫米波雷達的增量市場。而當車載毫米波雷達在生理信號監測應用中驗證了之后，就有機會向健康護理相關應用的醫院和家庭推廣，值得我們期待這些更深入的應用。基于毫米波雷達的駕駛員生命體征監測系統，能夠實現靈敏感知輕微呼吸的胸部運動幅度變化探測，快速判斷駕駛員是否疲勞駕駛，必要時可發出警告提醒或采取緊急制動等措施，綜合考慮該領域現階段技術發展情況，我國在該領域尚處于起步階段。本系統為解決駕駛員疲勞探測問題提供了智能解決方案，避免了駕駛員疲勞駕駛導致的事故和傷亡。